Diamo sempre tutto per scontato e facciamo male, malissimo! Vi siete mai chiesto cos’è il tempo e come facciamo per misurarlo? Alla prima domanda non proviamo neppure a dare una risposta visto che anche i fisici faticherebbero non poco per farlo in poco tempo. Proviamo quindi a rispondere alla seconda domanda: come facciamo per misurare il tempo che passa? Credetemi, la risposta è tutt’altro che scontata e banale.
Il tempo è cambiamento. Misurando il cambiando possiamo misurare il tempo che passa
Non dilunghiamoci troppo sulla domanda “che cosa è il tempo” perché rispondere richiederebbe davvero troppo…tempo (appunto!) e anche gli scienziati troverebbero il quesito complicato da trattare in poche righe. Concentriamoci piuttosto sulla domanda: “come si misura il tempo?”. La risposta è sulla bocca di tutti i lettori di questo articolo: “con gli orologi!”. Vero, ma l’unità di misura (il secondo, l’ora, il giorno etc…) da cosa dipende? Potremmo dire, frettolosamente, che un’ora è la vemtiquattresima parte di un giorno e che un giorno è il tempo che impiega la terra a ruotare su sé stessa. Ma se ci trovassimo su Marte o su Giove?
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La verità è che non esiste un riferimento valido per tutto l’universo e le soluzioni trovate dall’uomo sono convenzioni che le varie società si sono date per misurare il passare dei giorni, dei mesi e delle stagioni. Non è sbagliato quindi affermare che per misurare il tempo si utilizzano gli orologi ma la risposta non è completa perché occorre sempre avere un riferimento. Il tempo, dunque, è cambiamento. Misurare questo cambiamento ci permette di misurare il tempo. Ma cambiamento rispetto a cosa? Se come riferimento utilizzassimo un pendolo potremmo dire che per andare da casa all’ufficio postale sono necessari 1000 oscillazioni del pendolo. Usare il pendolo come riferimento universale però è poco pratico.
Come si misura il tempo? L’atomo: un punto di riferimento estremamente preciso e affidabile
Per misurare il trascorrere del tempo occorre quindi individuare un punto di riferimento affidabile e universalmente valido, possibilmente in grado di funzionare anche su un altro pianeta o nel profondo universo. Abbandoniamo quindi la rotazione terrestre perché, anche se valida e utile per scandire il passare dei giorni, è poco pratica, ad esempio, per esperimenti scientifici accurati e precisi, dove un miliardesimo di secondo può fare la differenza.
Intorno alla metà del ‘900 i fisici erano tutti impegnati a studiare l’infinitamente piccolo (atomi, molecole etc…) e proprio in quel periodo fu costruito il primo orologio atomico. Era il 1955 quando Louis Essen creò il primo prototipo di orologio atomico sufficientemente accurato e basato su transizioni di livelli energetici dell’atomo di cesio. Ok, quello che avete appena letto è incomprensibile ai più. Facciamo un passo indietro e cerchiamo ora di capire perché questi orologi atomici sono così precisi e utili alla scienza.
Come funziona un orologio atomico e perché è così utile per misurare il tempo?
Come detto per misurare il tempo occorre misurare qualcosa che cambia, magari in maniera ciclica. L’esempio del pendolo è perfetto! Un pendolo va avanti, indietro…e ancora avanti. Tuttavia un pendolo prima o poi rallenta e diventa rapidamente impreciso. Anche gli orologi, a ben vedere, sono qualcosa di ciclico: le lancette percorrono una circonferenza e misurando la loro posizione possiamo scoprire che ore sono.
Anche gli orologi atomici misurano qualcosa di ciclico e, per la precisione, l’oscillazione degli atomi. L’atomo di cesio-133, ad eempio, vibra circa 9 192 631 770 volte ogni secondo e viene comunemente utilizato come riferimento per definire il minuto secondo.
I fisici storceranno il naso per quanto ho appena scritto perché in realtà le cose sono un pochino più complicate di così. Su wikipedia si definisce il secndo come:
la durata di 9 192 631 770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini, da (F=4, MF=0) a (F=3, MF=0), dello stato fondamentale dell’atomo di cesio-133.
Parlare infatti di “atomo che vibra” è impreciso e bisognerebbe parlare di elettroni, livelli energetici etc… La semplificazione tuttavia rende bene l’idea anche se ad un esame di fisica eviterei di usare questa terminologia!
In futuro, per misurare il tempo, si utilizzeranno orologi ancora più precisi: gli orologi nucleari
Quando abbiamo parlato degli orologi atomici abbiamo approssimato molto parlando della misurazione delle vibrazioni dell’atomo. In realtà questi orologi misurano i cambiamenti dei livelli energetici degli elettronici e – anche se estremamente precisi e affidabili – la scienza potrebbe permetterci in futuro di fare ancora meglio con gli orologi nucleari.
Gli orologi nucleari utilizzeranno il nucleo dell’atomo (per la precisione dell’atomo di Torio) per misurare il tempo. Giunti fin qui ci si potrebbe domandare: perché serve essere così manici nella misura del tempo? I comuni orologi non vanno bene?
Perché servono orologi atomici e nucleari, estremamente precisi e affidabili, per misurare il tempo?
Nella vita di tutti i giorni arrivare un secondo in ritardo ci fa comunque guadagnare l’apprezzamento della donna o dell’uomo con cui dobbiamo vederci. In fisica no. Un secondo di ritardo può avere effetti catastrofici (e non utilizzo quando aggettivo a caso). Pensate al GPS (il navigatore del vostro cellulare, per capirci): i satelliti che permettono di misurare con estrema precisione la nostra posizione in qualunque angolo del pianeta devono essere perfettamente sincronizzati (e quando dico “perfettamente” intendo nell’ordine del nanosecondo!). I satelliti che permettono ai GIPS di funzionare hanno tutti degli orologi atomici sincronizzati (e tarati per tenere conto delle leggi della relativitià di Einstein). Capite quindi da questo semplice esempio che un comune orologio non è sufficiente.
